为什么IA-32有一个不直观的调用者和被调用者寄存器保存惯例？

Question

为什么IA-32有一个不直观的调用者和被调用者寄存器保存惯例？

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IA-32的常见调用规约如下所示：

• Callee-save registers
%ebx, %esi, %edi, %ebp, %esp
Callee must not change these.  (Or restore the caller's values before returning.)

• Caller-save registers
%eax, %edx, %ecx, condition flags
Caller saves these if it wants to preserve them.  Callee can freely clobber.

为什么存在这种奇怪的惯例？为什么不在调用另一个函数之前保存所有寄存器？或者让被调用者使用 pusha/popa 来保存和恢复所有内容呢？

- Bruce

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哪一部分是“非直观的”？是关于哪些寄存器应该被调用者保存还是调用者保存的具体选择，还是有区分的调用者保存和被调用者保存寄存器的事实？ - Gian

4个回答

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一个猜测：

如果调用方在函数调用后仍然需要保存所有寄存器，当被调用的函数不修改这些寄存器时，它会浪费时间。

如果被调用方保存所有它使用的寄存器，当调用方不再需要这些寄存器中的值时，它也会浪费时间。

如果一些寄存器由调用方保存，而另一些寄存器由被调用方保存，编译器（或汇编程序员）可以根据下一个函数调用后是否需要该值来选择使用哪种方式。

- Baffe Boyois

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这是正确的。请注意，有时候调用者只需要恢复，因为寄存器中的值已经在内存中了，他们只是将其缓存在寄存器中。也许再多一个被调用破坏的寄存器会导致更好的代码，至少对于那些内联非常小的现代编译器来说是这样。（不幸的是，ABI是在现代编译器之前设计的。）另一方面，许多库函数很小，但不会被内联。保存/恢复代码在每个调用点都是必需的，并且许多函数有多个调用者，因此在被调用者中只保存/恢复代码一次是一个胜利。 - Peter Cordes

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如果你深入了解所使用的寄存器，就会明白为什么不会被调用者保留：

EAX: 用于函数返回值，因此显然无法保留。
EDX:EAX: 用于64位函数返回值，与EAX相同。
ECX: 这是计数寄存器，在x86早期时代，当LOOPcc很酷时，这个寄存器会被疯狂地破坏，即使今天，仍有不少指令使用ECX作为计数器（如带前缀的REP指令）。但是，由于引入了__thiscall和__fastcall，它被用于传递参数，这意味着它很可能会改变，因此几乎没有必要保留它。
ESP: 这是一个小例外，因为它实际上并没有被保留，而是根据栈的变化而改变。虽然可以通过堆栈帧来保留它，以防止堆栈指针损坏/安全问题或不平衡。

现在，它变得更加直观了 :)

- Necrolis

为什么被调用者必须保留%ebx、%esi和%edi寄存器？有没有直观的解释？ - Bruce

@Bruce：这样它可以被任何东西调用，即：调用者不需要了解被调用者的内部情况，因为调用者的数据将被保留（ESI和EDI是数据源/目标寄存器，因此这符合将调用者数据与被调用者分离的原则）。 - Necrolis

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由于这些是您的基本和偏移寄存器，它们用于在字符串等上进行循环。通常，这些被调用者保留，以便可以在循环内部进行调用，而无需每次都推送/弹出它们。 - rich remer

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简而言之，调用者保存是因为参数传递。其他所有内容都是被调用者保存。

- Brian Knoblauch

这是不正确的。即使像32位Linux使用的SysV约定这样的纯堆栈参数调用约定，也将eax、ecx和edx视为调用破坏。edx:eax用于返回64位整数，但ecx是一个临时寄存器，因为拥有足够数量的寄存器很有用。拥有一个或两个更多的调用破坏寄存器可以自由地用作临时寄存器，可能会导致更好的代码，至少对于内联非常小的函数的现代编译器来说是这样的。（不幸的是，ABI是在现代编译器之前设计的。） - Peter Cordes

实际上，即使使用内联，许多代码仍然在循环内从函数调用具有大量“活动”状态的情况下进行函数调用，因此在32位x86中只使用三个临时寄存器可以减少调用者中的溢出/重载。 push和pop是便宜而小的（每个字节一次）。但这个答案仍然是错误的 >.< - Peter Cordes

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可以查看英文原文，
原文链接

- shf301 · Accepted Answer

为什么要在可能不需要的每个函数中编写保存寄存器的代码？这将在每个函数调用中增加额外的代码和内存写入。现在可能看起来不重要，但在80年代创建这个约定时可能确实很重要。

而且请注意，ia-32没有固定的调用约定 - 你列出的只是一个外部约定 - ia-32不强制执行它。如果你正在编写自己的代码，可以随意使用寄存器。

另请参阅Old New Thing博客上的Calling Conventions的历史讨论。

在决定哪些寄存器应该由调用约定保留时，你需要权衡调用者和被调用者的需求。调用者希望保留所有寄存器，因为这样就不需要担心跨调用保存/恢复值的问题。被调用者希望不保留任何寄存器，因为这样就不需要在进入和退出时保存和恢复值。

如果要求保留的寄存器太少，则调用者会充满寄存器保存/恢复代码。但如果要求保留的寄存器太多，则被调用者必须保存和恢复调用者可能并不真正关心的寄存器。这对于叶子函数（不调用任何其他函数的函数）尤其重要。